V VIDYALAYA · Soutien scolaire
Physique-ChimieTerminaleConstitution et transformations de la matiereExercices + corrigé

Cinétique chimique et catalyse — Exercices

Lecture de tableau, calcul de vitesses, analyse de facteurs cinétiques et de catalyse. Corrigé détaillé en fin de fiche.
⏱ ~30 min✎ Calculatrice autorisée
1Vitesse volumique de réaction/ 4 pts
On étudie la décomposition d'un réactif A selon $A \to \text{produits}$. Les concentrations mesurées sont :
$t$ (s) : 0 — 200 — 400 — 600 — 800
$[A]$ (mol/L) : 0,80 — 0,56 — 0,40 — 0,28 — 0,20
  1. Calculer la vitesse volumique moyenne de disparition de A entre $t = 0$ s et $t = 200$ s.
  2. Calculer la vitesse volumique moyenne entre $t = 200$ s et $t = 400$ s.
  3. Comparer les deux valeurs et conclure sur l'évolution de la vitesse au cours du temps. Donner l'interprétation microscopique.
2Temps de demi-réaction/ 3 pts
On reprend les données de l'exercice 1.
  1. Définir le temps de demi-réaction $t_{1/2}$ en lien avec l'avancement de réaction.
  2. Déterminer $t_{1/2}$ par lecture directe du tableau de données.
  3. Calculer $[A](t_{1/2})$ et vérifier la cohérence avec la valeur lue dans le tableau.
3Facteurs cinétiques — température et surface de contact/ 4 pts
On étudie la décomposition du peroxyde d'hydrogène $\text{H}_2\text{O}_2$ en présence de dioxyde de manganèse $\text{MnO}_2$ solide comme catalyseur, avec la même concentration initiale.
  • Expérience 1 à 20 °C : $t_{1/2} = 400$ s.
  • Expérience 2 à 40 °C : $t_{1/2} = 60$ s.
  1. Quel facteur cinétique est modifié entre les deux expériences ?
  2. Laquelle est la plus rapide ? Justifier à l'aide de la valeur de $t_{1/2}$.
  3. Interpréter l'effet de ce facteur à l'échelle microscopique.
  4. Dans une troisième expérience à 20 °C, le $\text{MnO}_2$ est broyé en poudre fine avant utilisation. Quel facteur cinétique est ainsi modifié et quel est son effet prévisible sur la vitesse ?
4Types de catalyse — estérification/ 5 pts
On étudie une réaction d'estérification (acide carboxylique + alcool) dans trois conditions :
  • Expérience A : sans catalyseur — équilibre atteint en plusieurs jours.
  • Expérience B : avec quelques gouttes d'acide sulfurique $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentré dissous — équilibre en ~1 h.
  • Expérience C : avec une lipase (enzyme) à 37 °C — équilibre en ~10 min.
  1. Identifier le type de catalyse dans chacune des expériences B et C.
  2. Le taux d'avancement à l'équilibre est-il modifié par la présence d'un catalyseur ? Justifier.
  3. Expliquer qualitativement pourquoi un catalyseur accélère la réaction (notion d'énergie d'activation $E_a$).
  4. Définir la notion de spécificité d'une enzyme et illustrer avec un exemple tiré du métabolisme.
5Problème — pot catalytique/ 4 pts
Un pot catalytique transforme le monoxyde de carbone CO et le monoxyde d'azote NO en dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ et diazote $\text{N}_2$, grâce à un alliage platine-rhodium (Pt-Rh) solide. Les réactifs et produits sont en phase gazeuse.
  1. Écrire et équilibrer l'équation de la réaction entre CO et NO.
  2. Identifier et justifier le type de catalyse en jeu.
  3. Expliquer pourquoi le pot catalytique est moins efficace lors d'un démarrage à froid.
  4. Le plomb bloquait les sites actifs du catalyseur dans les anciens carburants. Comment nomme-t-on ce phénomène, et quelle est sa conséquence cinétique ?
Corrigé détaillé
1Vitesse volumique de réaction
a) \(v_{moy}^{[0;200]} = -\dfrac{[A]_{200} - [A]_0}{200 - 0} = -\dfrac{0{,}56 - 0{,}80}{200} = \dfrac{0{,}24}{200}\) \(v_{moy}^{[0;200]} = 1{,}2 \times 10^{-3}\text{ mol}\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}\)
b) \(v_{moy}^{[200;400]} = -\dfrac{[A]_{400} - [A]_{200}}{400 - 200} = -\dfrac{0{,}40 - 0{,}56}{200} = \dfrac{0{,}16}{200}\) \(v_{moy}^{[200;400]} = 8{,}0 \times 10^{-4}\text{ mol}\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}\)
c) \(1{,}2 \times 10^{-3} \gt 8{,}0 \times 10^{-4}\text{ : la vitesse diminue entre les deux intervalles.}\) \(\text{La vitesse de réaction diminue au cours du temps : } [A] \text{ décroît, les collisions entre réactifs sont moins fréquentes et la proportion de chocs efficaces diminue.}\)
2Temps de demi-réaction
a) \(t_{1/2} \text{ est le temps auquel l'avancement atteint la moitié de la valeur finale :}\) \(x(t_{1/2}) = \dfrac{x_{\max}}{2} \iff [A](t_{1/2}) = \dfrac{[A]_0}{2}\)
b) \(\dfrac{[A]_0}{2} = \dfrac{0{,}80}{2} = 0{,}40\text{ mol/L}\quad\text{Le tableau donne }[A]_{t=400\text{ s}} = 0{,}40\text{ mol/L.}\) \(t_{1/2} = 400\text{ s}\)
c) \([A](t_{1/2}) = \dfrac{[A]_0}{2} = \dfrac{0{,}80}{2} = 0{,}40\text{ mol/L}\) \(\text{Cohérent : le tableau indique bien }[A](400\text{ s}) = 0{,}40\text{ mol}\cdot L^{-1}.\)
3Facteurs cinétiques
a) \(\text{Toutes les autres conditions sont identiques (concentration initiale, catalyseur, réactifs).}\) \(\text{Le facteur cinétique modifié est la température.}\)
b) \(t_{1/2}^{(2)} = 60\text{ s} \lt t_{1/2}^{(1)} = 400\text{ s}\) \(\text{L'expérience 2 (40 °C) est plus rapide : un temps de demi-réaction plus court traduit une vitesse de réaction plus élevée.}\)
c) \(\text{À plus haute température, l'énergie cinétique moyenne des molécules est plus grande.}\) \(\text{La fraction de molécules possédant une énergie }\ge E_a\text{ augmente : les chocs efficaces sont plus fréquents, d'où une vitesse de réaction plus élevée.}\)
d) \(\text{Broyer }\mathrm{MnO_2}\text{ en poudre fine augmente sa surface en contact avec }\mathrm{H_2O_2}\text{ (liquide).}\) \(\text{Facteur modifié : surface de contact. Plus grande surface }\Rightarrow\text{ plus de sites actifs disponibles }\Rightarrow\text{ vitesse de réaction augmente.}\)
4Types de catalyse
a) \(\text{B : }\mathrm{H_2SO_4}\text{ dissous (phase liquide) = même phase que les réactifs.}\quad\text{C : lipase en solution aqueuse = même phase liquide.}\) \(\text{B : catalyse homogène. C : catalyse enzymatique (protéine en solution, très spécifique de son substrat).}\)
b) \(\text{Le catalyseur ne modifie ni l'enthalpie de réaction ni la constante d'équilibre thermodynamique.}\) \(\text{Non : le taux d'avancement à l'équilibre est identique avec ou sans catalyseur. Le catalyseur accélère l'atteinte de l'équilibre, il ne le déplace pas.}\)
c) \(\text{Le catalyseur ouvre une voie réactionnelle alternative.}\) \(\text{Cette voie possède une énergie d'activation }E_a\text{ plus faible : une plus grande proportion de paires de molécules dispose de l'énergie suffisante pour réagir, d'où une vitesse accrue.}\)
d) \(\text{Spécificité : une enzyme ne catalyse qu'une réaction ou une famille de substrats précis, grâce à la complémentarité géométrique de son site actif.}\) \(\text{Ex : l'amylase salivaire hydrolyse uniquement l'amidon (pas les lipides ni les protéines). Modèle clé-serrure : le substrat s'adapte au site actif de l'enzyme.}\)
5Pot catalytique
a) \(2\,\text{CO} + 2\,\text{NO} \to 2\,\text{CO}_2 + \text{N}_2\) \(\text{Vérification — C : 2/2 ; O : }(2+2)=4/4\text{ ; N : 2/2. Équation équilibrée.}\)
b) \(\text{Pt-Rh : solide. CO, NO, CO}_2\text{, N}_2\text{ : gaz.}\) \(\text{Catalyse hétérogène : le catalyseur (solide) et les réactifs (gaz) sont dans des phases différentes.}\)
c) \(\text{La température est un facteur cinétique déterminant.}\) \(\text{À froid, les molécules de gaz ont peu d'énergie cinétique : même avec }E_a\text{ réduit par le catalyseur, peu de chocs sont efficaces. L'efficacité augmente quand le moteur atteint sa température de fonctionnement.}\)
d) \(\text{Le plomb se fixe sur les sites actifs (Pt, Rh) et les rend indisponibles pour l'adsorption des réactifs.}\) \(\text{Phénomène : empoisonnement du catalyseur. Conséquence cinétique : la vitesse de réaction chute fortement car les réactifs ne peuvent plus s'adsorber sur les sites actifs.}\)